基本介紹
- 中文名：外存儲子系統
- 外文名：external storage subsystems
- 學科：計算機技術
- 組成：存儲設備和控制設備組成
- 硬體組成：適配器、控制器和大容量存儲器
- 性能指標：子系統頻寬、系統吞吐量
簡介,發展,子系統性能,存儲區域網路,附網存儲,
簡介
外存儲子系統是由輔助存儲器和控制設備組成的子系統。外存儲器子系統有以下類型。按其配備的大容量存儲器分，有磁帶存儲系統，磁碟存儲系統和光碟存儲系統。按數據存取的並行程度分，有單用戶、單通路的存儲系統，多路 I/O存儲系統，以及多機共享的群集存儲器系統。按套用的場合，有用於科學計算的存儲系統，用於事務處理的存儲系統和用於圖象處理的存儲系統。通常採用按配備的大容量存儲器來分類的方法。高速計算機的外存儲器子系統具有多個通路、多個適配器和控制器。常見的外存儲子系統子有附網存儲( NAS)、 存儲區域網路，它們均基於將阻塞數據流的 “瓶頸” 從匯流排轉移至網路的考慮而產生的。
發展
早期的計算器使用卡片和紙帶作存儲器，存取速度很慢。其後的電子計算器用暫存器與可更換的外部唯讀存儲器存儲信息，用穿孔卡片作後備存儲，計算器與存儲器的速度相匹配。20 世紀40年代末期出現了存儲程式的計算機它用超聲延遲線或威廉斯管存儲器作主存儲器，而以磁鼓作輔助存儲器。這些機器還不具備現代分層次的存儲系統。此後，由於中央處理器(CPU)性能的提高，推動了存儲器的發展，從威廉斯管存儲器發展到磁心存儲器，進而在70 年代中期半導體存儲器完全取代了磁心存儲器。作為記憶體儲器的半導體存儲器，在速度上雖已接近與CPU相匹配，但因容量有限，價格昂貴，難以實現只有一個層次的存儲系統，而大容量存儲器(如磁帶機、磁碟機、光碟機等)由於在容量和成本上的優勢取得了巨大發展。這些大容量存儲器雖存取速度稍慢，但容巨大，它作為不直接參與CPU 運算的外存儲器，與記憶體儲器相配合，組成了多級存儲系統。隨著對容量的進一步需求，又出現了容量更為巨大的各種大量外存儲器，如自動磁帶庫、自動光碟庫等。這些在線上輔助存儲器處於多級存儲系統的最底層，一般把使用頻度較低的大量數據存入其中。近年來發展起來的磁碟陣列，作為一種在線上的外存儲子系統受到重視。它採用冗餘技術來提高可靠性，採用並行處理技術來提高存取速度。磁碟陣列技術對解決 CPU與輸入輸出 I/ O 之間的瓶頸問題起了很好的作用。
早期的存儲系統因單一用戶而多採用由CPU發出定時脈衝直接控制存儲器的存取。後來在子系統中增設了控制器。控制器的功能也由程式控制方式發展到中斷控制方式和直接存儲器存取(DMA)控制方式，使輔助存儲器的操作與 CPU 操作具有初步的並行性。繼而在控制器中設定了小型緩衝存儲器，使子系統增加了獨立完成指令操作的能力。當進一步擴大到具有根據主機程式提供的參數自行編制和執行程式(通道程式)的能力時，數據的存取和狀態信息的回收便更具有獨立性和並行性，即發展到通道控制(I/ O 處理機)方式。通道控制方式仍需CPU干預，採用外圍處理機方式可使CPU的干預減到最少。
子系統性能
衡量子系統性能的主要指標如下：
- 子系統頻寬。說明子系統被連續訪問時單位時間內能完成的運算元據量。一般採用平均的數據傳輸率作為實際的子系統頻寬。
- 子系統吞吐量。表示子系統在單位時間內能完成的請求數。若外存儲器的一次服務所需的平均時間為T s，則吞吐量可表示為 1/ T s。
- 請求的等待時間。指項目請求在排隊等待服務時所花費的時間。
- CPU 利用率。 定義為一個進程處理一批數據的CPU工作時間與包括數據存取、傳輸和
- CPU工作時間在內的總的時間的比值。通常，若CPU 利用率低，則表示外存儲器處於忙碌狀態，而CPU 則相對空閒。
- 子系統存儲容量。 計算機配置的存儲容量因用途不同而相差懸殊。對於科學與工程計算、 事務處理、氣象預報、能源勘探、人口普查等套用都要求較大的容量。某些數據處理系統配備的外存儲器與主存儲器容量之比超過1000：1。
不同的套用領域對系統性能有不同的要求。用於科學與工程計算的超級計算機，它的外存儲子系統以順序輸入和輸出為主要特徵，即數據周期地、大塊地從主存儲器到外存儲器往返傳輸。因此它要求子系統有較高的頻寬和很少的請求等待時間，而對吞吐量則要求甚低。用於事務處理的計算機，其子系統以大量地、頻繁地隨機存取為特徵，每次傳輸的數據量很少，故要求子系統吞吐量大，請求等待時間短，而頻寬不要求很寬。用於圖象處理的計算機，其子系統以大宗數據往返傳輸為特徵。由於處理比較規範，操作比較單純， 故要求頻寬較寬，等待時間較少，吞吐量則不必很大。為獲得最好的外存儲器子系統性能，無論在系統組成， 設備選擇， 或控制程式設計上都要針對套用場合給予充分考慮。數字信息存儲是計算機、 通信等領域不可缺少的重要組成部分。隨著新一代計算機的出現以及“信息高速公路” 計畫與圖書資料大規模數位化的實現，對存取速度和存儲容量的要求日益高漲，它將促進新的外存儲子系統的發展。
存儲區域網路
存儲區域網路，簡單說就是在存儲裝置之間或存儲裝置與計算機系統之間所進行的數據傳輸。存儲區域網路是為了不斷滿足企業對存儲空間的需求，提升使用效果，維護數據安全，保持容量的彈性擴充，和控制花費成本而應運產生的。一般存儲區域網路要由幾部分來構成，要包含計算機主機實體與提供存儲裝置間連結的通訊架構，管理存儲的裝置，還有計算機主機以及相關的網路設備的總體管理機制，這樣才能有一個安全的數據傳輸的環境。存儲系統一般由存儲組件、存儲裝置、計算機系統等設備組成，用相關的控制軟體來控制網路上各種信息的傳遞，就構成了完整的存儲系統。存儲區域網路是負責專門提供存儲空間的一個區域網路，對內是通過將諸如磁碟、光碟或磁帶庫、磁帶機等機器，用高速網路來連線，來實現信息的整合、共享和管理。對外是通過交換機和集線器等連線伺服器為前端客端來提供服務的。存儲區域網路的主要架構由以下五部分：高速網路，包括串聯的伺服器和個人的計算機。Servers伺服器群，高速度高容量的存儲設備高度整合的存儲管理的軟體，用來提供單一的管理界面以便管理和監控存儲設備。SAN Devices：包括Hub， Switch， 將Servers與Storage device整合為存儲資源環境。
附網存儲
所有單獨的、能與高速網路直接相連的存儲設備或子系統，包括盤帶、陣列以及層次存儲子系統稱為附屬於網路的存儲設備。根據存儲設備與伺服器關係的不同，這種附屬於網路的存儲設備又可以分為以下兩種:依賴於伺服器的網路存儲設備和不依賴於伺服器的網路存儲備。
依賴於伺服器的附網存儲
這種結構中存儲設備是一個小的盒子，可以直接與網路相連，儘管這種結構已擺脫了SAS間接相連的方式，但其工作仍依賴於檔案伺服器的干預，檔案伺服器上需要安裝一個用於在存儲設備與檔案伺服器之間進行通訊的軟體模組(如NetWare中的NLM)。在這種存儲設備中，主要有兩種設計方案:第一種方案稱為Network SCSI，簡稱NetSCSI，這是一種在原有SCSI接口上作最小改動的附屬於網路的存儲盤的方案。客戶機如需要訪問存儲器的數據，同樣首先必須給檔案伺服器傳送一個請求訊息，檔案伺服器處理請求，然後通過私有網路給NetSCSI盤傳送訊息，包括解析後的SCSI命令，NetSCSI訪問數據，然後通過網路直接傳送給客戶機，數據傳送完畢後給檔案管理器返回完成狀態信息，最後檔案管理器返回客戶機完成狀態信息；第二種方案與NetSCSI不同，這種結構已經完全擺脫了已存在的SCSI接口，轉而考慮如何選擇一個能卸載大部分檔案管理器的工作到存儲盤的命令接口。另外它也拋棄了Net SCSI中的私有網路，檔案系統完整性與安全性方面的問題都交由軟體管理。第二種方案中，如果客戶機要從存儲設備讀取檔案，首先必須給檔案伺服器發一個請求，檔案管理器根據請求給客戶機發一個許可證，客戶機有了許可證，就可直接重複訪問存儲設備。這裡檔案管理器負責對存儲設備數據訪問的安全控制、一致性管理，並採用了加密機制保證數據在網路上傳送的安全性。與SAS相比，由於它可提供存儲設備與客戶機之間的直接數據傳輸，消除了伺服器瓶頸問題，從而提高了系統的可擴展性。另外，這種結構中存儲設備可通過網路數據分串(striping)的方式，數據分別存放在不同的附網安全設備上，構成存儲子系統，大大提高存儲系統的性能。
獨立於伺服器的附網存儲
隨著網路存儲的發展，出現了一種全新網路存儲方案，這種方案中存儲設備已完全脫離伺服器，而是作為與網路直接相連的專用存儲伺服器出現，通常稱為“Network attached storage server”或者稱“瘦伺服器”。這種專用存儲伺服器不同於傳統的通用伺服器，它去掉了通用伺服器原有的不適用的大多數計算功能，僅提供檔案系統功能，用於存儲服務，大大降低了存儲設備的成本。為方便存儲到網路之間以最有效方式傳送的數據，專門最佳化了系統硬軟體體系結構，多執行緒、多任務的作業系統核心能更好的支持對存儲器的讀寫。在這種方案中，存儲設備在功能上完全獨立於網路上的主伺服器，客戶機與存儲設備之間數據訪問已不再需要檔案伺服器的干預，允許客戶機與存儲設備之間直接的數據訪問。利用專用的硬軟體構造的專用伺服器，獨立於其它資源，不占用網路主伺服器的系統資源，不需要在伺服器上安裝任何軟體，不用關閉網路上的主伺服器就可為網路增加存儲設備。伺服器則從原先的I/O負載中解脫出來。另外，它具有較好的協定獨立性，支持Unix、NetWare、Windows95、Windows98、NT、OS/2或Intranet WEB的數據訪問，客戶端也不需任何專用的軟體，安裝簡易，甚至可充當其它機器的網路驅動器，可以方便地利用現有的管理工具進行管理。與傳統的通用伺服器不同的是，存儲專用伺服器能在不增加複雜度和管理開銷、降低可靠性的基礎上使網路的容量增加，具有較好的可擴展性。由於不需要伺服器提供更多的硬體及服務，伺服器的可靠性大大提高，I/O性能大大改進，專為檔案服務進行最佳化，能充分利用可得到的10M～ 100MB網路頻寬，有較大的數據吞吐量。
特性
可擴展性。由於它可以提供存儲設備與客戶機之間的直接數據傳送，而不需伺服器進行存儲轉發，所以當客戶機增多時，網路主伺服器負載不會按比例增長。另外隨著網路存儲規模的增長，系統管理開銷和硬體開銷也不會按比例增長，而是始終限制在一個可接受的範圍內，從而提高了系統的可擴展性。
可訪問性。附網存儲很好地支持使用不同作業系統(Unix、NetWare、Windows95、NT、OS/2或Intranet Web)的用戶對網路存儲設備的數據訪問，具有產好的協定獨立性。
高性能。由於數據可以在客戶機與伺服器之間直接傳送，而不需要伺服器進行存儲轉發，消除潛在的I/O瓶頸。另外，其軟硬體體系結構也為存儲設備的單一任務——數據服務進行了相應的最佳化，充分利用諸如記憶體、CPU、匯流排周期等硬體資源，從而大大提高了存儲設備的性能。
安裝簡單，便於管理，具有較好的操作優勢。例如，允許客戶機利用支持Java的瀏覽器通過網路對網路存儲設備進行基於Web的管理。
廉價。附網存儲減少了管理開銷，消除了不必要的停工時間，免去了購置昂貴的多功能伺服器的費用，從整體上降低了系統的成本。
